新華社北京12月20日電 題：「天琴」將奏何妙音？——「天琴一號」發射成功背後的我國引力波探測之問
新華社「新華視點」記者鄭天虹、肖思思、馬曉澄、胡喆
12月20日，隨著長徵四號乙運載火箭騰空而起，「天琴一號」技術試驗衛星成功飛向太空。
這是我國首顆由國家立項面向未來引力波空間探測的技術試驗衛星，其成功發射意味著中國醞釀近20年的空間引力波探測計劃方案距離實現邁出了重要一步。在這個歷史性的時刻，不妨讓我們走近「天琴一號」，揭開「天琴工程」的神秘面紗。
「天琴一號」要做什麼？
「天琴一號」由國家航天局為工程大總體管理單位，中山大學為用戶單位，中國航天科技集團五院航天東方紅衛星有限公司為衛星總體負責單位，試驗載荷分別由中山大學、華中科技大學、航天五院等單位研製。
「天琴計劃」是由中山大學校長、中國科學院院士羅俊於2014年提出、以中國為主導的國際空間引力波探測計劃：2035年前後，在距離地球約10萬公裡的軌道上部署三顆衛星，構成邊長約為17萬公裡的等邊三角形編隊，在太空中建成一個探測引力波的天文臺。因為三顆衛星組成的編隊在天空中形似豎琴，故名天琴。
據介紹，要實現引力波的探測，必須具備兩大基礎技術，即空間慣性基準技術和雷射幹涉測距技術；前者相當於找準基點，後者相當於一把尺子。
「天琴計劃」將分三次總計發射六顆衛星上天，第一次發射一顆高精度空間慣性基準試驗衛星，第二次發射兩顆雷射幹涉測量技術試驗衛星；第三次發射三顆天琴衛星，組成編隊進行空間引力波探測。
羅俊說，此次發射的「天琴一號」，是「天琴計劃」擬發射的第一顆試驗衛星。「天琴一號」好比是引力波「探頭」，它的核心技術就是空間慣性基準技術，這是空間引力波探測技術體系中的關鍵技術之一。
那麼「天琴一號」上天后將肩負怎樣的科學任務？
中山大學天琴中心副主任葉賢基教授說，「天琴一號」身負三大科學任務：一是對空間慣性傳感器進行在軌驗證，二是對微牛級可變推力的微推力器進行在軌驗證，三是對無拖曳控制技術進行在軌驗證。此外，「天琴一號」也將對高精度雷射幹涉測量技術、高精度質心控制技術、高穩定性溫度控制技術等引力波空間探測共性關鍵技術開展在軌驗證。
「這顆衛星是整個『天琴計劃』的首顆技術驗證星，離最終實現空間引力波探測目標還有很長的路要走。」「天琴一號」技術試驗衛星總設計師張立華介紹，這一次的技術驗證，將為未來技術發展提供有價值的參考。
「空間引力波探測帶來了極大的技術挑戰，很多技術指標高於現有水平數個量級。因此，必須循序漸進、分步實施，通過技術試驗衛星驗證相關技術，待關鍵技術取得實質性突破後，再去研製能夠在空間探測到引力波的衛星系統。」張立華說。
我們為什麼要探測引力波？
在愛因斯坦廣義相對論中，引力波是時空波動的具體表現。宇宙大爆炸、黑洞並和等天文事件會產生時空漣漪，如同石頭被丟進水裡產生的波紋，這種波動會以光速傳播。當波動抵達地球時，將「扭曲」地球的時空；這種扭曲極其微弱，不僅你我無法感知，普通的科學儀器也無法測量。
在此之前，人類觀測宇宙的手段，不管是紅外光還是紫外光，靠的都是電磁波。而引力波提供了一個全新的觀測宇宙的重要窗口。
「想像我們在一個房間內看到光在內部傳播，那是一種電磁波。而如果房子本身形狀發生了改變，則是引力波的作用。」羅俊說。
中國科學家正在進行的空間引力波探測的「天琴計劃」，其原理是：由於引力波會造成時空的變化，導致空間中兩點之間的距離發生改變。當引力波到達時，會造成一個方向壓縮，另一個方向拉伸，這種變化是有規律的。通過精確測量引力波天文臺三顆衛星組成的等邊三角形之間距離的微小變化，可以測量引力波是否存在。
引力波探測跟我們普通人有關係嗎？受訪科學家表示，新的科學發現，會給人類社會帶來難以預估的影響。引力波探測，將可能帶動雷射、材料、光學、工程、計算機等諸多學科前沿的發展；引力波探測的很多技術將對或者已經對半導體製造、能源、材料、大數據等實用領域產生深遠影響。
中國科學院院士葉朝輝表示，作為我國首顆國家立項的引力波空間探測技術試驗衛星，「天琴一號」不僅適用於空間引力波探測計劃，還將滿足其他基礎科學空間實驗對航天技術的發展需求。
「『天琴一號』還是國內首顆無拖曳控制技術試驗衛星，無拖曳控制技術是最前沿的航天技術。」葉朝輝說，這將為開展下一代衛星重力測量、深空探測、基礎科學實驗等提供重要技術儲備。
離引力波探測還有多遠？
引力波的影響非常微弱，假設在太空中有一個半徑10萬公裡的粒子圈，則引力波對粒子圈帶來的形變也只有百分之一個原子的大小，這對測量精度提出了極高要求。
科學家表示，此次「天琴一號」成功發射，意味著空間引力波探測技術邁出了關鍵性的一大步；但這項工程巨大，技術前沿且複雜，是科學界的「無人之域」，國際競爭日漸白熱化。
引力波的頻率很寬，就好像交響樂中分低音、中音、中高音和高音；針對不同頻率，科學家採取了不同的探測手段，科學目標也不盡相同。
目前，國內主要有三大項目正在推進：一是由中科院高能所主導的基於地面探測的「阿里實驗計劃」，目的是探測原初引力波；二是由中科院推動的同樣基於太空探測的「太極計劃」；三是由中山大學主導的「天琴計劃」。
而國際上太空引力波探測，以歐洲空間局主導的「LISA空間引力波探測計劃」為代表，根據該計劃，將在太陽軌道發射三顆衛星組成等邊三角形編隊。
「天琴計劃」首席科學家助理梅健偉教授介紹，「天琴計劃」的衛星由於距離地球近，因此面臨的來自地球和地月相對運動帶來的探測幹擾也會多一些，這就對「天琴計劃」衛星的高精度慣性傳感、微牛級微推進器、高精度無拖曳控制等技術提出了更高的挑戰。而「LISA計劃」也面臨距離地球遠、衛星入軌時間長、跟地球通信時間長和在軌控制難度大等問題。
羅俊表示，「天琴一號」雖然意義重大，但並不代表我國空間引力波探測技術已經成熟。實際上我們距離實現空間引力波探測的最終目標還任重道遠，必須本著求真務實的科學態度和踏實嚴謹的科學作風，加快推進關鍵技術攻關和在軌驗證，加速推進人才隊伍建設和國內外科技合作。
「科學不僅僅是簡單去理解別人探索發現的東西，而應該自己能夠走到前沿去探索一些未知的世界，這是科學家的使命，要對未知保持一顆好奇心，對科學保持一顆敬畏心。」羅俊說。